Zur Dynamik der Zirkulationszelle in der tropischen Stratosphäre

Im Höhengebiet der Troposphäre und unteren Stratosphäre entwickelt sich das Wetter und wird unser Klima geprägt. Die Mesosphäre ist charakterisiert durch eine Dynamik, die sich aus den brechenden Schwerewellen ergibt, die in der Troposphäre angeregt werden. Im Stratopausengebiet ergibt sich einerseits ein ausgeprägter meridionaler Gradient in den Erwärmungsraten (durch Ozon) und andererseits ist der "wave drag" durch die planetaren Wellen von erheblichem Betrag; der durch die internen Wellen noch von geringerer Bedeutung. Für die Tropen der Troposphäre ist bekannt, dass die thermisch direkt getriebene Hadley Zirkulation modifiziert wird durch den meridionalen Transport von Vorticity der synoptischen und planetaren Wellen und so liegt es nahe zu fragen, ob nicht ein dynamisch vergleichbares Bild Anwendung in der Stratopause gefunden werden kann. In der Tat wird kürzlich auf der Grundlage von mechanistischen 2D-Modellen diese Frage untersucht (Semeniuk, Shepherd , J. Atmos. Sci., 58, 2001), wobei in der Stratosphäre das Problem im Vergleich zur Troposphäre dadurch komplizierter wird, dass während der Solstitien ein Gradient in der Strahlungsgleichgewichtstemperatur zwischen der sommerlichen und winterlichen Atmosphäre und damit über dem Äquator auftritt.

Aufgabe des Beitrags ist es, auf der Grundlage von einfachen 3D-Zirkulationsexperimenten unter Januarbedingungen die Bedeutung einer thermisch direkt getriebenen, und damit nicht linear bestimmten, meridionalen Zirkulation bzw. den Beitrag der durch Wellen getriebenen Zirkulation in der Stratosphäre aufzuzeigen. In 3D-Modellen bestimmt sich der "Wellenwiderstand" selbst aus dem zonal gemittelten Wind und der Temperatur, wodurch eine Konsistenz in den Feldern gegeben ist. Erschwert wird damit aber nicht unerheblich ein Verständnis der Prozesse im Vergleich zu den mechanistischen 2D-Modellen.

Grundlage der Untersuchungen ist das KMCM-Zirkulationsmodell (Becker, Schmitz, J. Atmos. Sci., 60, 2003) in 2D- und 3D-Version. Die Zirkulationsexperimente werden ohne Anregung der planetaren Wellen (Aquaplanet) bzw. mit orographischer und thermischer Anregung der Wellen (volles Modell) durchgeführt. Dazu werden Experimente mit variabler Strahlungsgleichgewichtstemperatur durchgeführt, um den Einfluss des thermischen Antriebs in seiner relativen Bedeutung zum Wellenwiderstand beurteilen zu können.

Abb. 1: Die advektiven Terme des absoluten Drehimpulses dM/dt/a und der Wellenwiderstand in m/s^4/d^4 und die Erwärmungsraten K/d^4 für das Aquaplanet-Experiment.

Betrachtet man den Gesamtdrehimpuls für die Aquaplaneten, zusammen mit den Erwärmungsraten, Abbildung 1, dann ergibt sich ein sehr unterschiedliches Verhalten in der unteren Stratosphäre bzw. in der Stratopausenhöhe. In der unteren Stratosphäre wird die Drehimpulsbilanz durch den linearen Corriolisterm und den "wave drag" durch synoptische Wellen bestimmt.

Der Reibungsterm hat keine Bedeutung. Für die Extratropen ist dieses Ergebnis nicht überraschend, wohl aber für die Tropen, d.h. das "upwelling" in den Tropen der unteren Stratosphäre ergibt sich als Folge des im Modell aufgelösten "wave drag". Eine ähnliche Abhängigkeit ergibt sich für das volle Modell und zeigt, dass der Reibungsterm nicht bestimmend für die vertikale Geschwindigkeit in den Tropen ist. Andererseits gibt es aber auch in der untersten Stratosphäre keine thermisch direkt getriebene meridionale Zirkulation. Da die Wellenüsse sich sehr sensibel entwickeln wird offenbar nur in konsistenter Modell Näherung ihr Einfluss erkennbar.

Im Gebiet der Stratopause ist die Drehimpulsbilanz durch die nichtlinearen advektiven Terme bestimmend, unabhängig vom Zirkulationsexperiment, solange die Strahlungsgleichgewichtstemperatur realistisch im Modell erfasst ist. In diesem Gebiet ist es eine Schwierigkeit die Trägheitsinstabilität angepasst zu erfassen. In unseren Experimenten haben wir keine Anpassung explizit berücksichtigt, sondern die Experimente mit erhöhten Reibungsparametern durchgeführt.

In Abbildung 2 zeigt das volle Modellexperiment Ostwind in der nördlichen Hemisphäre des Äquators bei etwa 1 hPa, also gerade bei der Höhe mit dem stärkstem Gradienten in der Strahlungsgleichgewichtstemperatur. Weiter zeigt Abbildung 2 die Massenzirkulation zusammen mit den Linien gleichen absoluten Drehimpulses. Man erkennt ein Gebiet eines schwachen Breitengradienten des Drehimpulses zwischen 0,3 hPa - 5 hPa über dem Äquator zusammen mit einer ausgeprägten meridionalen Windkomponente.

Abb. 2: Der zonale Wind in ms-4 und die residuelle Zirkulation (grüne Linien) in 109kg/s^4 und der absolute Drehimpuls M/a in m/s^4 für das volle Modell, Januar.

Dieses Verhalten, zusammen mit der Drehimpulsbilanz, ergibt, dass die vertikale und meridionale Windkomponente in der Stratopausenhöhe sowohl durch eine Art Hadley Zirkulation, also thermisch getrieben, als auch durch eine wellengetriebene Komponente bestimmt ist. Das Windprofil zeigt allerdings keine parabolische Struktur und auch das equal-area Bild einer idealen Zirkulation ist schwer anwendbar. Darüber hinaus hängt das Windsystem in der Stratopause am Äquator sehr empfindlich von den Reibungsparametern ab. Zusammenfassend finden wir auf der Grundlage von 3D-Zirkulationsexperimenten, dass in der unteren Stratosphäre der Tropen und Extratropen der vertikale Wind durch den "wave drag" bestimmt ist und in der oberen Stratosphäre der vertikale Wind durch eine thermisch direkt getriebene Zirkulation, die durch eine vom "wave drag" bestimmte Komponente überlagert wird. Eine Trennung dieser Komponenten ist schwer aufzeigbar in den verschiedenen Experimenten, sicher auch dadurch bedingt, dass die Reibung nicht beliebig schwach gewählt werden kann. Der Einfluss der direkt getriebenen Zirkulation im Stratopausenbereich und damit der nichtlineare Charakter der Zirkulation zeigt sich bis ~ 30 km Höhe. Die Homogenisierung des Drehimpulses in der Stratopause ist in den Experimenten schwach ausgebildet.

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